Káros anyagok kibocsátásának csökkentése katalizátorral

Átírás

1 Káros anyagok kibocsátásának csökkentése katalizátorral Katalitikus átalakító, amit a benzinüzemő jármővek kipufogó vezetékébe építenek, átalakítja a szénhidrogének (CH) a szénmonoxid (CO) és a nitrogénoxidok (NO x ), több, mint 90%-át kevésbé káros CO 2 -dá, nitrogénné, és vízgızzé. Mióta a katalitikus átalakítókat 1974-ben beépítették az autókba, több, mint 12 billió tonna veszélyes anyaggal csökkentették az atmoszférába kijutó káros gázok mennyiségét. A ma gyártott személygépkocsik több, mint 96%-át katalizátorral szerelték fel. 1. kép katalitikus átalakító Forrás: Davis Recycling Inc. Ábramagyarázat: Expand. Mat: táguló anyag, ami a kerámiatestet védi a töréstıl. Stainless : Fémház Lambda : Lambda szonda. Méri a füstgáz oxigéntartalmát Ceramic : Kerámiatest, a nemesfém katalizátor hordozására Catalytic : Nemesfém katalitikus bevonat Washcoat: közbensı réteg Ceramic sub.: Kerámiatest A katalitikus átalakító egy olyan készülék, ami a belsı égéső motorok által kibocsátott mérgezı gázokat csökkenti. Katalizátorokat alkalmaznak a generátoregységeknél, a villástargoncánál, bányagépeknél, teherautóknál, buszoknál, vonatoknál és más motoros gépeknél is. A katalitikus átalakítók olyan kémiai átalakítást végeznek, ahol a mérgezı égéstermékeket kevésbé mérgezı anyagokká alakítják át. Konstrukció Kerámia test katalizátor A katalitikus átalakító különbözı részegységekbıl áll.

2 1. A kerámiatest (substrate). A kerámiatest gyakran kerámiából készült méhsejt alakú test, de fémbıl készült méhsejt alakú testeket is alkalmaznak. A méhsejt alakzatú felület megnöveli a katalizátor felületét, a katalitikus hatás növelése érdekében. 2. A közbensı réteg (washcoat). A közbensı réteg segít a katalizátor hatásfokának növelésében. Ennek anyaga gyakran egy szilícium alumínium keverék. A közbensı réteget hozzáadják a testhez, egy durva szabálytalan felület alakul ki, ami nagyságrenddel nagyobb felületet biztosít. A nagyobb felület nagyobb lehetıséget biztosít az aktív fémfelületnek is. A katalizátort hozzáadják a közbensı réteghez. 3. A katalizátor önmaga többnyire egy speciális fém. Platina a legaktívabb katalizátor, amit széles körben alkalmaznak. A platina nem minden esetben alkalmazható a nem kívánatos járulékos reakciók és költségek miatt. Palládium és ródium a másik két alkalmazott fém. Palládiumot és ródiumot a redukáló katalizátorokban alkalmazzák. A platinát és a palládiumot pedig az oxidációsokban. Fémtestő katalizátos Kerámiatestő katalizátor Monolitkatalizátor felépítése Makrobereich Macrotartomány Mikrobereich Mikrotartomány Träger Test Zwischenschicht Közbensı réteg Katalysatorkontakt Katalizátorfém

3 Típusok Kétutas (kettıs hatású) katalizátor: oxidációs katalizátor A kétutas katalizátor két folyamatos mőveletet végez egyidejőleg. 1. Szénmonoxid oxidációja széndioxiddá 2CO+ O 2 2CO 2 2. Az elégetlen szénhidrogén oxidálása széndioxiddá és vízzé: C x H 2x+2 + 2xO 2 xco 2 + 2xH 2 O. Ilyen típusú katalitikus átalakítókat széles körben alkalmaznak dízelmotorokhoz, szénhidrogének és szénmonoxid csökkentésére. Háromutas (hármas hatású) katalizátor 1981 óta alkalmazzák a hármas hatású konvertereket a jármővek emissziójának csökkentésére Észak-Amerikában, és a fejlettebb országokban, a gépjármővekben. A hármas hatású katalizátor egyidejőleg 3 átalakítást végez. 1. A nitrogénoxidokat oxigénre és nitrogénre redukálja. 2NO x xo 2 + N 2 2. Szénmonoxid oxidációja széndioxiddá 2CO+ O 2 2CO 2 3. Az elégetlen szénhidrogén oxidálása széndioxiddá és vízzé: C x H 2x+2 + 2xO 2 xco 2 + 2xH 2 O. Ez a három reakció akkor a leghatásosabb, ha a katalizátorba belépı füstgáz összetétele a sztöchiometrikus összetétel közelében van. Ez azt jelenti, hogy 1 kg tüzelıanyaghoz 14,6 14,8 kg levegıt adunk, benzin esetében. Ez az arány PB gáz és földgáz esetén, valamint etanolnál különbözı, ezért a rendszert mindenkor az adott tüzelıanyaghoz kell igazítani. A 3 utas katalizátorral ellátott motorok általában egy számítógépes vezérléső zártkörő tüzelıanyagbefecskendezı-rendszerrel rendelkeznek, amihez 1 vagy több oxigénérzékelı tartozik. Ha a 3utas katalizátort, ha nyitott trendszerben alkalmazzák, akkor a nitrogénoxid csökkentése alacsony. A szők levegı-tüzelıanyag sztöchiometrikus-közeli beállításával mind a három légszennyezı komponens átalakítása közel tökéletes. A fenti tartományon kívül az átalakítás hatásfoka gyorsan csökken. Ha a rendszerben több az oxigén a sztöichometrikusnál, akkor a rendszer szegény üzemmódban dolgozik, és az oxidációs folyamat lép fel. Ebben az esetben a konverter két oxidációs folyamata (CO és CH oxidációja) részesül elınyben. Ha a rendszerben túl sok a tüzelıanyag, akkor a motor a dús keverék tartományban dolgozik, és a nitrogénoxid redukciója van elınyben. Oxigéntárolás A 3utas katalizátor képes a füstgázból oxigént tárolni akkor, ha a levegı-tüzelıanyag keverék szegény. Ha nincs elegendı oxigén a kipufogó gázokban, akkor a tárolt oxigén felhasználásra kerül. Ez történik akkor, ha oxigén nem keletkezik a nitrogénoxid redukciójából, vagy olyan manıvereknél, mint a gyorsítás, amikor a keverék bedúsul. Nem kívánatos reakciók A 3utas katalizátor nem kívánt reakciókat okozhat. Ilyen a hidrogénszulfid és az ammónia keletkezése. Kialakulása csökkenthetı a közbensı réteg és a fémbevonat módosításával. Ezen melléktermékek teljes megszőntetése nehézségekbe ütközik.

4 Károsanyag-konverzió a légfelesleg függvényében Schadstoffumsatz Károsanyagátalakítás Bereich unger. Drei 3utas kat. tartománya geregelter szabályozott Bereich des Oxida. Oxidációs kat. tartománya Sauerstoffmangel Oxigénhiány Sauerstoffüberschuß Oxigénfelesleg 3utas katalizátor benzin üzemő motoroknál Luft Levegı Katalytischer Konv. Katalitikus konverter Abgas Füstgáz Lambda-Sonde Lambda-szonda Luftmengenmesser Légtömegárammérı Motortemperatur Motorhımérséklet Motor Motor Drosselklappenst. Fojtószelep-állás Einspritzzeit Befecskendezési idı Drehzahl Fordulatszám

5 Dízel motorok katalizátorai A kompresszió gyújtású (dízel) motorok esetében a leggyakrabban alkalmazott katalitikus konverter az oxidációs katalizátor. Ez felesleges oxigént alkalmaz a kipufogó gázokból a szénmonoxid oxidálásához CO 2 -vé, és a szénhidrogén oxidálásához vízzé és széndioxiddá. Ezek a konverterek gyakran elérik a 90%-os hatásfokot, jelentısen semlegesítik a dízelszagot és segítenek a látható szennyezıdést csökkenteni, jóllehet nem alkalmasak a nitrogén oxid csökkentésére, mivel a kipufogó gázokban meglevı oxigén reagál elsısorban. A nitrogénoxid csökkentésére a dízelmotoroknál a füstgáz összetételét elıször meg kell változtatni. Két fı technika ismert. Az egyik a szelektív katalitikus redukció (SCR) és a NO x leválasztók (NO x abszorberek) A dízelmotorok emissziója viszonylag nagy mennyiségben tartalmaz részecskét (kormot), aminek jelentıs része karbon. Ezért a részecskék koromleválasztók, illetve dízelrészecskeszőrık (DPF) segítségével távolíthatók el. Az SCR katalizátor esetében ammóniát, illetve annak vizes oldatát alkalmazzuk NO x csökkentésre, elsısorban nagy tehergépjármővek esetében. Tüzelıanyagban szegény keverékek Tüzelıanyagban szegény keverékek esetén oxidációs katalizátort alkalmaznak a szikragyújtású motorokban, hasonlóan a dízelmotorokhoz. Felépítés Számos jármő rendelkezik elıkatalizátorral, amit a motor kipufogócsövénél helyezkednek el. Ez gyorsan felmelegíti a katalizátort, és redukálja a hideg motor megnövekedett szénhidrogén kibocsátását, ami az extra gazdag keverékbıl adódik. Károsodás Mérgezés Katalizátor mérgezését az okozza, hogy ha a katalizátor olyan kipufogógáz összetételnek van kitéve, ami a katalizátor felületét bevonja. Így a katalizátor nem tud érintkezni a kipufogó gázzal. A legismertebb szennyezı az ólom, ezért a katalizátorral felszerelt jármővek csak ólmozatlan benzinnel üzemelhetnek. A másik katalizátorméreg a foszfor. Jóllehet foszfort már nem szokás a benzinhez adagolni, de azt széles körben alkalmazzák, mint olajadalékot. A szennyezıtıl függıen a katalizátormérgezés esetenként visszafordítható, ha a motort magas terhelésem és hosszabb ideig járatjuk. A megnövelt kipufogógáz-hımérséklet eltávolíthatja a

6 bevonatot a katalizátor felületérıl. Az ólomszennyezıdés veszélye napjainkban nem áll fent, mivel a fejlett országokban a benzinhez ólomadalékot nem alkalmaznak. Megolvadás Abban az esetben, ha a katalizátorban túlságosan magas hımérsékletek állnak elı, elégetlen, vagy részben elégett tüzelıanyag miatt, a katalizátor tönkre mehet. A tönkremenetel deformáció, rosszabb esetben katalizátor szétesésének formájában jelenik meg. A mai modern motorok, melyek OBD-II diagnosztikával rendelkeznek, megvédik a katalizátort ettıl a veszélytıl. Környezeti szempontok A katalitikus konverterek jelentıs és hatásos csökkentést érnek el a kipufogó gázok károsanyag-emissziójának csökkentése terén. Ennek ellenére néhány hátrányos tulajdonsággal is rendelkeznek. - azon követelmény, hogy a motor sztöchiometrikus keverékkel dolgozik, azt jelenti, hogy a motor több tüzelıanyagot használ, mintha szegény keveréket alkalmazna. A megnövekedett tüzelıanyag-fogyasztás növeli a jármő széndioxid-kibocsátását. Nem szabad viszont megfeledkezni arról, hogy szegény keverék esetén az NO x csökkentés problematikus. - Jóllehet a katalitikus konverterek hatásosan csökkentik a füstgázban a szénhidrogént és a szénmonoxidot, amik széndioxid formájában hagyják el a kipufogó vezetéket. A CO 2 viszont az üvegházhatáson keresztül hozzájárul a Föld klímájának melegedéséhez. Ezenkívül a katalitikus átalakítók jelentısen hozzájárulnak a dinitrogén-oxid (N 2 O) kibocsátásukkal a felmelegedéshez. Az N 2 O üvegházhatása 300szor nagyobb, mint a CO 2 -é. - A katalitikus konverterek gyártása palládium és/vagy platina elıállítását igényli. Ezen fémek a gyártása jelentıs részben Oroszországban Norilsk város közelében történik, ami a várost az egyik legszennyezettebb hellyé teszi. Diagnosztika Számos jogszabály foglalkozik a jármővek, köztük a katalizátor fedélzeti diagnosztikai rendszerével (on-bord diagnostic system), ami különbözı formában jelenik meg: Hımérséklet szenzorok (hımérık) Hımérséklet szenzorokat két fıbb esetben alkalmaznak. Egyik esetben, mint figyelmeztetı rendszer, amit tipikusan a kétutas katalizátoroknál alkalmaznak. A szenzor feladata az, hogy figyelmeztesse a felhasználót, hogy ha a katalizátor hımérséklete a 750 C-os határt túllépi. Több jelenleg használatos katalizátor meghibásodás nélkül elviseli a 900 C-os hımérsékletet. Hımérıket szokás alkalmazni a katalizátorok hımérsékletének megállapítására. Általában két hımérséklet szenzort alkalmaznak. Egyet a katalizátor elıtt, és egyet a katalizátor után a katalizátoron történı hımérsékletemelkedés megállapítása céljából. 1%-os CO-tartalom növekedés esetén a gázáram hımérséklete a katalizátorban kb. 100 C-ot emelkedik. A katalizátor mőködése általában 200 C fölött kezdıdik, és függ az egyes gázösszetevıktıl.

7 Hatásfok a megszólalási hımérséklet függvényében Wirkungsgrad Hatásfok Lambda-szonda mőködési elve 1 Levegı 4 Elektrolit 7 Szondafeszültség 2 Füstgáz 5 Csillámréteg 3 Külsı ház 6 Belsı elektróda

8 Oxigén szenzorok Az oxigén szenzor a zárt körő szabályzórendszer alapja, szikragyújtású motorok esetén, jóllehet ezt diagnosztikai célokra is alkalmazzák. Az OBD-II rendszerő jármőveknél a katalitikus konverter után is elhelyeznek egy oxigén érzékelıt az O 2 tartalom ellenırzésére. NO x szenzorok Az NO x szenzorok igen drágák, és csak akkor alkalmazzák, hogyha a dízelmotorokat szelektív katalitikus redukcióval látják el, vagy ha NO x -elnyeletést alkalmaznak. Irodalom: Wilhelm Wolsing: Abgasemissionen aus Kraftfahrzeugen und deren Kontrolle durch Katalysatoren. Engelhard Kali-Chemie GmbH, Brandt, Erich; Wang, Yanying; Grizzle, Jessy (September 2000), "Dynamic Modeling of a Three Way Catalyst for SI Engine Exhaust Emission Control", IEEE Transactions on Control Systems Technology 8 (5): , ISSN , ftp:// 4. Owen Ullman (June 14, 1976). "Catalytic converter still controversial after two years of use". The Bulletin. 5. Keith Tanner. Mazda MX-5 Miata. Motorbooks. p Wright, Matthew. "What Exactly is a Catalytic Converter? The Science Behind Catlytic Converters". About.com. Retrieved Le Treut H, Somerville R, Cubasch U, Ding Y, Mauritzen C, Mokssit A, Peterson T and Prather M (2007) (PDF). Historical Overview of Climate Change Science In: Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change (Solomon S, Qin D, Manning M, Chen Z, Marquis M, Averyt KB, Tignor M and Miller HL, editors). Cambridge University Press. pp. 5,10. Retrieved